111 - Relatório CALDEIRAS- completo
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1. INTRODUÇÃO
A utilização de calor a temperaturas relativamente baixas em diversos
setores industriais é essencial nos principais processos de fabricação, como
secagem, desidratação, concentração, cozimento, produção de reações
químicas e esterilização microbiológica. Este é o caso de indústrias de
alimentos e bebidas, papel e celulose, têxtil, química, farmacêutica e de quase
todas as agroindústrias.De fato, sem o calor, sem a contribuição de energia
térmica em quantidades generosas e com alta qualidade não existiria a
sociedade moderna, com seu padrão de vida e seus altos níveis de consumo
de bens e serviços.De um modo quase absoluto, estes fluxos de calor são
conseguidos a partir de sistemas de vapor (GYURKOVITS, 2004).
As caldeiras são equipamentos complexos de troca de calor, que
produzem vapor a partir da energia térmica provinda da queima de
combustível, constituídos por diversos equipamentos associados,
perfeitamente integrados, para permitir a obtenção do maior rendimento
térmico possível (WINCK JUNIOR, 2009).
As caldeiras podem ser classificadas de diversas formas, mas a
classificação mais usualmente empregada é aquela em relação à disposição da
água em relação aos gases: flamotubulares ou aquotubulares (NOGUEIRA;
NOGUEIRA; ROCHA, 2005).
Nas caldeiras flamotubulares, os gases de combustão escoam no
interior de tubos cercados por água. Desta maneira, a transferência de calor
ocorre em toda a circunferência dos tubos. Existem caldeiras flamotubulares
verticais, porém as mais comuns são as horizontais, podendo possuir fornalhas
lisas ou corrugadas, mais de um passe para os gases e parede traseira seca
ou molhada (TROVATI, 2005; BIZZO, 2003).
As caldeiras aquotubulares, são aquelas em que a água circula no
interior dos tubos enquanto os gases quentes transitam numa câmara de
combustão. São equipamentos de grande capacidade, projetadas para operar
em médias e altas pressões (ARAÚJO, 2010).
Independente de sua classificação todas as caldeiras necessitam de
algum tipo de instrumentação e controle automático capaz de possibilitar que
suas variáveis de processo se mantenham dentro de determinados limites pré-
programados para atender à demanda de vapor e operar com garantia de
segurança (NOGUEIRA; NOGUEIRA; ROCHA, 2005).
2. OBJETIVOS
Conhecer os principais componentes de uma caldeira, bem como alguns
dos acessórios de segurança, de controle operacional e formas de distribuição
do vapor aos pontos de consumo.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Com o auxílio do diagrama esquemático de uma caldeira flamotubular
mostrado na Figura 1, observou-se os principais componentes e acessórios
presentes em uma caldeira, pertencente à agroindústria e laboratório de frutas
e hortaliças da Universidade Federal de Viçosa – Campus de Florestal, bem
como seu modo de funcionamento e condições de operação.
Figura 1 - Diagrama esquemático de uma caldeira flamotular.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
As especificações observadas da caldeira estão apresentadas na Tabela
1.
Tabela 1 - Especificações da caldeira.
Parâmetros Valores especificados
Pressão máxima de trabalho 7 Kgf/cm2 – 0,6864 MPa
Temperatura de trabalho ~ 220 ºC
Capacidade 500 kgv/h
Superfície de aquecimento 28 m2
Tipo de combustível utilizado lenha
4.1. Características da caldeira quanto à pressão de trabalho
De acordo com a NR – 13, as caldeiras são classificadas em 3
categorias, conforme segue:
a) caldeiras da categoria A são aquelas cuja pressão de operação é
igual ou superior a 1960 kPa (19.98 Kgf/cm²);
b) caldeiras da categoria “C” são aquelas cuja pressão de operação é
igual ou inferior a 588 KPa (5.99 Kgf/cm²) e o volume interno é igual ou inferior
a 100 litros;
c) caldeiras da categoria “B” são todas as caldeiras que não se
enquadram nas categorias anteriores.
Desta forma, conhecendo a pressão máxima de trabalho da caldeira,
pode-se classificá-la como categoria B.
Nesta pressão de trabalho e consultando as tabelas de vapor, a
temperatura de saturação é de 164,15ºC. Como a temperatura de trabalho da
caldeira encontrada foi de 220ºC, verifica-se que a caldeira produzia vapor
superaquecido.
4.2. Características da caldeira quanto ao combustível utilizado
As reações químicas da combustão liberam calor, estas reações são
denominadas exotérmicas. O calor assim gerado é que constitui o calor da
combustão e que pode ser aproveitado das mais diversas maneiras. Assim,
cada combustível ao ser queimado é capaz de liberar uma determinada
quantidade de calor. Essas quantidades de calor são medidas em aparelhos
chamados calorímetros e são específicas para cada combustível (QUIRINO, et.
al., 2005; ARAÚJO, 2010).
Assim, a quantidade de calor liberada constitui uma das mais
importantes características do combustível e é denominada poder calorífico.
Define-se poder calorífico como a quantidade de calor produzida pela queima
total de uma unidade de combustível (QUIRINO, et. al., 2005; ARAÚJO, 2010).
O poder calorífico superior é o calor liberado pela combustão da unidade
de massa do combustível a volume constante, estando a água formada pela
combustão, no estado líquido (QUIRINO, et. al., 2005; ARAÚJO, 2010).
No poder calorífico superior a água formada permanece no estado
líquido, logo, seu calor latente é incluído no calor gerado na combustão
(QUIRINO, et. al., 2005; ARAÚJO, 2010).
O poder calorífico inferior é o calor liberado pela combustão da unidade
de massa do combustível, na pressão constante de 1 atm, permanecendo a
água da combustão no estado gasoso (vapor) (QUIRINO, et. al., 2005;
ARAÚJO, 2010).
No poder calorífico inferior a água formada permanece no estado
gasoso, logo, seu calor latente fica excluído do calor gerado na combustão. Na
prática é o que ocorre, visto que, a temperatura dos gases de combustão é
superior à temperatura de saturação do vapor d'água à pressão atmosférica,
permanecendo a água na forma de vapor superaquecido (QUIRINO, et. al.,
2005; ARAÚJO, 2010).
A Figura 2 apresenta valores de poder calorífico inferior para diversos
tipos de combustível, inclusive o poder calorífico da lenha, que é utilizada como
fonte de energia na caldeira estudada. Percebe-se que quanto maior a
porcentagem de água, menor o poder calorífico inferior, devido à exclusão do
calor latente da água no poder calorífico como já explicado anteriormente.
A lenha utilizada na caldeira da agroindústria permanece em local
aberto, susceptível à umidade do ambiente e possíveis precipitações, fato que
pode ocasionar em perdas expressivas no poder calorífico inferior do
combustível.
Figura 2 - Poder calorífico inferior de combustíveis para caldeiras.
4.3. Condições de trabalho da caldeira
O nível de água da caldeira é controlado por um sensor, caso o nível
desça para abaixo do adequado para as condições ideais de trabalho, o sensor
emite um sinal e automaticamente água é bombeada para dentro da caldeira.
Na parte superior do equipamento foi possível observar uma válvula que
pode ser usada, se necessário, para distribuição de vapor para um novo
destino.
Outro importante ponto observado foram as vias de distribuição do
vapor, que encontram-se em estado inadequado, sem isolamento. Percebe-se
que não há preocupação em relação à perda de energia, talvez porque a
caldeira supra bem a demanda de vapor do local. No caso de indústrias, esta é
uma grande preocupação, porque perda de energia significa perda econômica,
ainda mais que, devido às escalas de produção, pequenos detalhes podem
trazer prejuízos enormes.
5. CONCLUSÃO
Uma empresa que deseja alcançar uma estrutura de custos
racionalizada e tornar-se mais competitiva, já que o mercado está cada vez
mais orientado a dar preferência a produtos de empresas comprometidas com
ações de proteção ao meio ambiente, não deve admitir o desperdício ou usar a
energia de forma ineficiente e irresponsável. É necessário, portanto, um
esforço de todos os empregados da empresa, visando obter, como resultado, o
mesmo produto ou serviço com menor consumo de energia, eliminando
desperdícios e assegurando a redução dos custos.
Deste modo, cada vez mais se torna evidente que usar bem energia e
reduzir desperdícios, além de ser possível, é uma postura inteligente, racional,
com vantagens econômicas, sociais e ambientais em vários níveis. Entretanto,
uma das carências mais relevantes para concretizar ações nesta direção tem
sido a falta de informações para os usuários e responsáveis pelos sistemas
energéticos.
6. QUESTIONÁRIO
1) O que você entende por “vapor de água”?
Vapor de água é a água em seu estado gasoso.
2) Como o vapor é obtido? Que combustíveis são utilizados?
O vapor é produzido por meio de uma troca térmica entre o
combustível e a água, sendo que isto é feito por trocadores de calor
construído com chapas e tubos cuja finalidade é fazer com que água se
aqueça e passe do estado líquido para o gasoso, aproveitando o calor
liberado pelo combustível que faz com as partes metálicas da mesma se
aqueçam e transfiram calor à água produzindo o vapor.
A forma mais empregada para assegurar o fornecimento do calor
necessário à produção de vapor é por meio da queima de algum
combustível, como gás combustível ou lenha.
Os combustíveis podem ser classificados de acordo com seu
estado físico nas condições ambientes em:
Sólidos: madeira, bagaço de cana, turfa, carvão mineral,
carvão vegetal, coque de carvão, coque de petróleo, palha
de arroz, etc.
Líquidos: líquidos derivados de petróleo, óleo de xisto,
alcatrão, licor negro (lixívia celulósica), álcool, óleos
vegetais, etc.
Gasosos: metano, hidrogênio, gases siderúrgicos (gás de
coqueria, gás de alto forno, gás de aciaria), gás de
madeira, biogás, etc.
Para a produção de vapor também podem ser usadas fontes não
combustíveis de calor, tais como a energia elétrica (caldeiras de eletrodos
submersos e de jatos d’água), a energia nuclear (urânio, plutônio, etc.) e o
calor de reações exotérmicas de processos químicos, tais como SOx
resultantes da produção de ácido sulfúrico, etc.).
3) Há diferentes tipos de vapor? Se afirmativo, quais são estes tipos?
Sim.
Vapor saturado úmido: mistura de líquido e vapor seco.
Vapor saturado seco: vapor produzido na temperatura de ebulição à sua
pressão absoluta.
Vapor superaquecido: vapor que possui uma temperatura superior a de
ebulição correspondente a sua pressão.
4) Explique de forma objetiva como é o funcionamento de uma
caldeira.
É um gerador de vapor que, através do aquecimento da água, pela queima
de um combustível ou pela conversão de energia elétrica em térmica, produz o
vapor sob pressões superiores a Patm.
5) Há algum risco envolvido na utilização de uma caldeira? Que
cuidados devem ser adotados? É necessário algum tipo de
qualificação profissional para operar corretamente uma caldeira?
A utilização de caldeiras implica a existência de riscos de natureza
diversificada, tais como: explosões, incêndios, choques elétricos, intoxicações,
quedas, ferimentos diversos.
Há um mínimo de prescrições e situações que devem ser adotadas:
Se for constatada a falta de nível de água na caldeira, deve-se
imediatamente apagar o fogo e fechar as válvulas de vapor e
alimentação de água, deixando a caldeira esfriar lentamente.
Nunca injetar água nessa situação.
Testar diariamente as válvulas de segurança.
Não exceder a pressão normal de operação, para evitar
descargas pela válvula de segurança. A constante perda de vapor
afeta o rendimento do equipamento.
Proceder às descargas regulares da caldeira de acordo com as
prescrições do Departamento Técnico.
Coletar regularmente amostras de água de alimentação e da
descarga para análise.
Manter os visores de nível e indicadores em geral perfeitamente
limpos.
Não abandonar o equipamento confiando em que ele é
automático.
Remover periodicamente água e borra dos tanques de óleo.
Manter os bicos dos queimadores limpos e desobstruídos.
Fazer o correto tratamento da água de alimentação.
Toda caldeira deve possuir "Manual de Operação" atualizado, em
língua portuguesa, em local de fácil acesso aos operadores.
Segundo NR13 (NORMA REGULAMENTADORA 13), é considerado
operador de caldeira aquele que satisfaz pelo menos uma das seguintes
condições:
1. Possuir certificado de "Treinamento de Segurança na Operação de
Caldeiras" e comprovação de estágio prático;
2. Possuir certificado de "Treinamento de Segurança na Operação de
Caldeiras" previsto na NR 13 aprovada pela Portaria n° 02;
3. Possuir comprovação de pelo menos 3 (três) anos de experiência nessa
atividade.
4. Todo operador de caldeira deve cumprir um estágio prático na operação
da própria caldeira que irá operar, o qual deverá ser supervisionado,
documentado e ter duração mínima de:
a) Caldeiras categoria “A”: 80 (oitenta) horas;
b) Caldeiras categoria “B” : 60 (sessenta) horas;
c) Caldeiras categoria “C”: 40 (quarenta) horas.
6) O que é título do vapor? Para que serve uma Tabela de vapor?
Como o vapor é distribuído aos pontos onde é consumido?
Quando uma substância se encontra parte líquida e parte vapor (vapor
úmido) a relação entre a massa de vapor pela massa total (massa de líquido
mais a massa de vapor) é chamada título, expresso pela seguinte equação:
Nas caldeiras podem ser identificadas duas partes principais: um
reservatório de água e um sistema de aquecimento, capaz de aquecer a água
e transformá-la para vapor, o vapor produzido é distribuído ao longo de
tubulações termicamente isoladas (diminuir perdas), aos pontos dentro da
indústria onde será consumido.
A tabela de vapor serve para relacionar todas as propriedades como,
temperatura de saturação, pressão, volume específico, calor latente, entalpia.
7) Faça uma investigação e descreva como é feito o tratamento da
água utilizada no abastecimento de uma caldeira industrial.
A água considerada ideal para alimentação de caldeiras é aquela que não
deposita nenhuma substância incrustante, não corrói os metais da caldeira e
seus acessórios e não ocasiona arraste ou espuma. Evidentemente águas com
tais características são de difícil obtenção, sem que antes haja um pré-
tratamento que permita reduzir as impurezas a um nível compatível, de modo a
não prejudicar o funcionamento da caldeira.
Os tratamentos usuais são:
Desmineralização da água por meio de resinas catiônicas e aniônicas
Desaeração mecânica da água por intermédio de desaeradores
trabalhando com vapor em contracorrente
Desaeração química da água usando sulfito de sódio catalisado ou
hidrazina
Correção do pH da água para a faixa alcalina, a fim de evitar corrosão
ácida e acelerar a formação do filme de óxido de ferro protetor
Tratamento do vapor condensado para neutralizar ácido carbônico e
eliminar ataque ao ferro pelo cobre e níquel
Em caldeiras de baixa pressão, com temperaturas inferiores a 200ºC,
pode-se eliminar a desmineralização e desaeração em muitos casos,
não dispensando, todavia, o uso de água clarificada.
8) É possível recuperar parte da energia (energia térmica) contida nos
gases emitidos por uma caldeira? Como isso pode ser feito?
Dentre os gases resultantes da combustão, são consideráveis poluentes
aqueles que não são reciclados por algum processo natural no meio ambiente,
dentre os quais se destacam o monóxido de carbono, o gás sulfúrico e os
óxidos de nitrogênio (SOx ,NOx). Para a eliminação destes efluentes
contaminadores da atmosfera, a tecnologia deve intervir não só mediante a
formulação de aperfeiçoamento dos processos de queima,como também no
estabelecimento de técnicas de separação adequadas. No que tange à
separação, são colocadas à disposição da solução do problema três técnicas
como Adsorção, Absorção e oxidação catalítica.
9) A operação inadequada de uma caldeira por uma indústria poderá
acarretar em problemas de poluição ambiental? Comente sobre
esses possíveis problemas e proponha sugestões para evitá-los.
O problema da poluição ambiental provocada por caldeiras está
relacionado intimamente com um problema mais genérico, que é o das
emissões de na atmosfera de poluentes diversos vindos da queima dos
combustíveis utilizados como fonte de energia. Isso é particularmente grave
nas casas de caldeira sem as devidas condições de arejamento e manutenção.
Para contornar o problema, a área deve ser arejada adequadamente, com
ventilação permanente e que não possa ser bloqueada ou retirada. Os
equipamentos que usam gás como combustível produzem relativamente
poucos poluentes, apesar de que em más condições de queima podem resultar
emissões de monóxido de carbono, gases de combustão ou vapores orgânicos.
A principal medida de proteção é a prevenção, isto é, a tentativa de
evitar a poluição. Isto é conseguido, quando mantemos a caldeira em perfeitas
condições de funcionamento, pois quando não há combustão completa, há
emissão de fumaça. A atomização incompleta do óleo, causada pela
temperatura imprópria de combustível ou vapor, também pode causar fumaça.
Uma tiragem deficiente e relação óleo ar inadequada, também são fatores de
formação de fumaça. Operação adequada e boa manutenção são fatores
básicos para reduzir a emissão de fumaça, fazendo-a permanecer dentro dos
limites compatíveis com as normas legais existentes.
10) O portal eletrônico do Ministério do Trabalho dispõe de alguma
legislação sobre a utilização de vasos de pressão e caldeiras? O
que diz sobre o espaço físico onde a caldeira ficará localizada? O
observado na aula prática está de acordo?
Sim, dispõe a NR13 (Norma Regulamentadora- caldeiras e vasos de
pressão).
Quando a caldeira for instalada em ambiente aberto, a "Área de
Caldeiras" deve satisfazer aos seguintes requisitos:
a) estar afastada de, no mínimo, 3 (três) metros de:
- outras instalações do estabelecimento;
- de depósitos de combustíveis, excetuando-se reservatórios para
partida com até 2000 (dois mil) litros de capacidade;
- do limite de propriedade de terceiros;
- do limite com as vias públicas;
b) dispor de pelo menos 2 (duas) saídas amplas, permanentemente
desobstruídas e dispostas em direções distintas;
c) dispor de acesso fácil e seguro, necessário à operação e à
manutenção da caldeira, sendo que, para guarda-corpos vazados, os vãos
devem ter dimensões que impeçam a queda de pessoas;
d) ter sistema de captação e lançamento dos gases e material
particulado, provenientes da combustão, para fora da área de operação
atendendo às normas ambientais vigentes;
e) dispor de iluminação conforme normas oficiais vigentes.
f) ter sistema de iluminação de emergência caso operar à noite.
Quando a caldeira estiver instalada em ambiente fechado, a "Casa de
Caldeiras" deve satisfazer aos seguintes requisitos:
a) constituir prédio separado, construído de material resistente ao fogo,
podendo ter apenas uma parede adjacente a outras instalações do
estabelecimento, porém com as outras paredes afastadas de, no mínimo, 3
(três) metros de outras instalações, do limite de propriedade de terceiros, do
limite com as vias públicas e de depósitos de ombustíveis, excetuando-se
reservatórios para partida com até 2.000 (dois mil) litros de capacidade;
b) dispor de pelo menos 2 (duas) saídas amplas, permanentemente
desobstruídas e dispostas em direções distintas;
c) dispor de ventilação permanente com entradas de ar que não possam
ser bloqueadas;
d) dispor de sensor para detecção de vazamento de gás quando se
tratar de caldeira a combustível gasoso.
e) não ser utilizada para qualquer outra finalidade;
f) dispor de acesso fácil e seguro, necessário à operação e à
manutenção da caldeira, sendo que, para guarda-corpos vazados, os vãos
devem ter dimensões que impeçam a queda de pessoas;
g) ter sistema de captação e lançamento dos gases e material
particulado, provenientes da combustão para fora da área de operação,
atendendo às normas ambientais vigentes;
h) dispor de iluminação conforme normas oficiais vigentes e ter sistema
de iluminação de emergência.
11) Por quê é essencial a utilização de manômetros no corpo da
caldeira?
Aparelho com o qual se mede a pressão de gases, de vapores e de
outros fluídos. É muito utilizado na indústria, entre outros fins, para verificar a
pressão de caldeiras e de vasos sob pressão. O conhecimento desta pressão é
obrigatório, não só sob o ponto de vista de segurança, como também, para a
operação econômica e segura da caldeira.
Cada caldeira tem uma capacidade de pressão determinada. Sendo
assim, os manômetros utilizados em cada caldeira devem ter a escala
apropriada. A pressão máxima de funcionamento da caldeira deverá estar
sempre marcada sobre a escala do manômetro, com um traço feito a tinta
vermelha, para servir de alerta ao operador no controle da pressão.
12) As caldeiras podem ter sua operação e funcionamento controlados
por sensores e dispositivos eletrônicos. Descreva em poucas
linhas: como é feita a automação de caldeiras? Quando isso se
torna necessário?
A automação de processos industriais vem sendo cada vez mais utilizados
em sistema de produção das indústrias de grande porte devido à forte
concorrência do mercado e com a finalidade de ganho de maior qualidade e
velocidade de produção, obtendo assim uma maior lucratividade.Em unidades
de produção no qual a variável temperatura e pressão estão envolvidas, erros
podem causar danos graves a empresa e afetar todo o processo.
São muitas unidades hoje em dia que utilizam caldeiras industriais no
processo de produção para obtenção de vapor e geração de energia, destas,
estão inclusas fábricas de bebidas, de alimentos, usinas de açúcar e álcool
entre outras. Quando esses equipamentos estão em operação, é preciso ser
constante o monitoramento de sua temperatura e seu controle deve ser
altamente preciso para que falhas sejam evitadas devido ao superaquecimento,
ou até mesmo da má condução, em que o processo pode perder velocidade
afetando sua qualidade.
A automação e o controle são partes essenciais em uma unidade que
pretende gerar vapor devido sua segurança, economia e confiabilidade. Há no
mercado vários equipamentos e vários níveis de automação industrial, variando
de modelos e preços dos equipamentos chegando a números exorbitantes,
alguns são medidores de nível, medidores de pressão, medidores de
temperatura, medidores de vazão, dispositivos de segurança.
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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2005.
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